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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen
mit einer elektrolytischen Festoxidschicht, die eine Anodenschicht
von einer Kathodenschicht trennt; insbesondere auf Anordnungen und
Systeme von Brennstoffzellen, die einen Brenner zum Verbrennen eines
Gemisches von Anodenrestgas und verbrauchter Kathodenluft enthalten,
um nützliche
Wärme rückzugewinnen;
und ganz besonders auf solch ein Brennstoffzellensystem, worin die
Brennertemperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert wird,
indem das Verhältnis
des Gemisches eingestellt wird: weniger verbrauchte Kathodenluft
zugeführt wird,
um das Gemisch reicher bzw. fetter zu machen und somit die Brennertemperatur
zu erhöhen,
oder mehr frische Luft zugeführt
wird, um das Gemisch magerer zu machen und somit die Brennertemperatur
zu verringern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen,
welche elektrischen Strom durch die elektrochemische Kombination
von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, sind bekannt. In einer
Form einer solchen Brennstoffzelle sind eine Anodenschicht und eine
Kathodenschicht durch einen aus einem Keramikfestoxid bestehenden
Elektrolyt getrennt. Eine solche Brennstoffzelle ist in der Technik
als "Festoxidbrennstoffzelle" (SOFC) bekannt. Wasserstoff,
entweder rein oder aus Kohlenwasserstoffen reformiert, lässt man
entlang der Außenfläche der
Anode strömen
und diffundiert in die Anode. Sauerstoff, typischerweise aus Luft,
läßt man entlang
der Außenfläche der
Kathode strömen
und diffundiert in die Kathode. Jedes O2-Molekül wird gespalten
und durch die Kathode zu zwei O-2 Anionen
katalytisch reduziert. Die Sauerstoffanionen gelangen durch den Elektrolyt
und kombinieren an der Grenzfläche
Anode/Elektrolyt mit vier Wasserstoffionen, so dass sie zwei Moleküle Wasser
bilden. Die Anode und die Kathode sind extern über eine Last verbunden, um
den Schaltkreis zu vervollständigen,
wodurch vier Elektronen von der Anode zur Kathode übertragen
werden. Wenn Wasserstoff durch "Reformieren" von Kohlenwasserstoffen
wie z.B. Benzin in Anwesenheit von beschränktem Sauerstoff abgeleitet
wird, enthält das "Reformat"-Gas CO, das über einen
Oxidationsprozess ähnlich
dem an Wasserstoff durchgeführten an
der Anode in CO2 umgewandelt wird. Reformiertes
Benzin ist in kraftfahrzeugtechnischen Brennstoffzellenanwendungen
ein gewöhnlich
verwendeter Brennstoff.
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Eine
einzelne Zelle kann eine verhältnismäßig geringe
Spannung und Wattleistung, typischerweise zwischen etwa 0,5 Volt
und etwa 1,0 Volt je nach Last und weniger als etwa 2 Watt pro cm2 der Zellenoberfläche, erzeugen. Daher wird bekanntlich in
der Praxis eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihenschaltung
zusammengestapelt. Da jede Anode und Kathode für einen Durchgang von Gas über ihre
Oberfläche
einen freien Raum aufweisen müssen,
sind die Zellen durch Umfangsabstandhalter getrennt, die selektiv
belüftet
werden, um eine Gasströmung
zu den Anoden und Kathoden nach Wunsch zu gestatten, welche aber
auf ihren axialen Oberflächen Dichtungen
bilden, um eine Gasleckage aus den Seiten des Stapels zu verhindern.
Die Umfangsabstandhalter können
dielektrische Schichten aufweisen, um die Interkonnektoren voneinander
zu isolieren. Benachbarte Zellen sind durch "Interkonnektor"-Elemente im Stapel elektrisch verbunden,
wobei die Außenflächen der
Anoden und Kathoden mit ihren jeweiligen Interkonnektoren durch
im Gasströmungsraum
angeordnete elektrische Kontakte, typischerweise durch einen Metallschaum, der
leicht gasdurchlässig
ist, oder durch leitfähige
Filamente, elektrisch verbunden sind. Die äußersten oder am Ende gelegenen
Interkonnektoren des Stapels definieren elektrische Anschlüsse oder "Stromkollektoren", die über eine
Last verbunden werden können.
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Ein
vollständiges
SOFC-System enthält
einen Brenner, der das Reformat-Anodenrestgas
in Anwesenheit von verbrauchter Kathodenluft verbrennt, um Sauerstoffemissionen
zu reduzieren und chemische Energie in Form von Wärme rückzugewinnen,
die ansonsten verschwendet werden würde. Das heiße Brennerabgas
wird dann genutzt, um in den Kraftstoff-Reformer eintretende Luft und Luft vorzuheizen,
die an die Kathoden im Brennstoffzellenstapel geliefert wird, was
den gesamten thermischen Wirkungsgrad des Systems signifikant verbessert. Da
der brennbare Gehalt des Restgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand
der Brennstoffzellen stark variieren kann, kann auch die Brenntemperatur variieren.
Falls das Brennstoff/Luft-Gemisch verhältnismäßig brennstoffarm ist, kann
die resultierende Brenntemperatur zu niedrig sein, um eine endotherme
reformierende Reaktion zu unterstützen, oder kann einen reduzierten
Wirkungsgrad im Wärmetauscher
zur Vorheizung der Kathoden bewirken. Falls das Gemisch im Brenner
verhältnismäßig brennstoffreich
ist, wie es während
einer Anfahrt auftreten kann, kann die Brenntemperatur hoch genug
sein, um unerwünschte
Stickoxide zu erzeugen und/oder die Brennerkomponenten zu beschädigen.
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Benötigt wird
ein einfaches Mittel, um eine Brenntemperatur im Restgasbrenner
innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu regulieren.
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Es
ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, Schadstoffe im
Abgas, die von einem Brennstoffzellensystem emittiert werden, zu
minimieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine interne
Beschädigung
durch Überhitzen
von Komponenten eines Festoxid-Brennstoffzellensystems
zu verhindern.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den Wirkungsgrad
solch eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten ist mit
den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt.
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Kurz
beschrieben enthält
das Brennstoffzellen-Restgas in einem Festoxid-Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung
zum Kombinieren von Sauerstoff aus Luft mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid
in einem reformierten Brennstoff signifikante Restmengen von brennbaren
Stoffen. Ein Brenner verbrennt das Restgas in Anwesenheit von verbrauchter
Kathodenluft, um Systememissionen zu reduzieren und chemische Energie
in Form von Wärme
rückzugewinnen,
die ansonsten verschwendet werden würde. Das heiße Brennerabgas wird
genutzt, um in den Brennstoff-Reformer eintretende Luft und Luft
vorzuheizen, die an die Kathoden im Brennstoffzellenstapel geliefert
wird, was den gesamten thermischen Wirkungsgrad des Systems signifikant
verbessert.
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Da
der Gehalt an brennbaren Stoffen des Abgases bzw. Restgases in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennstoffzellen stark variieren kann, kann
auch die Brenntemperatur variieren. Falls das Brennstoff/Luft-Gemisch verhältnismäßig brennstoffarm
ist, kann die resultierende Brenntemperatur zu niedrig sein, um
eine endotherme reformierende Re aktion zu unterstützen, oder
kann einen reduzierten Wirkungsgrad im Wärmetauscher zur Vorheizung der
Kathode bewirken. Falls das Gemisch im Brenner verhältnismäßig brennstoffreich
ist, wie es während einer
Anfahrt auftreten kann, kann die Brenntemperatur hoch genug sein,
um unerwünschte
Stickoxide zu erzeugen und/oder die Brennerkomponenten zu beschädigen.
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In
einem Steuerungsmittel für
das Brennstoffzellensystem wird die Temperatur im Brenner überwacht.
Wenn die Temperatur unannehmbar niedrig wird, wird ein Steuerventil
in einer Rückleitung für verbrauchte
Kathodenluft durch die Steuerungsmittel eingestellt, um einen Teil
der Luft um den Brenner zu leiten, was die Anreicherung des durch
den Brenner gehenden Brennstoff/Luft-Gemischs erhöht. Wenn
eine Temperatur unannehmbar hoch wird, wird ein Steuerventil in
der Frischluftzufuhr für
den Brenner durch das Steuerungsmittel eingestellt, um mehr Luft
zu liefern, was somit bewirkt, dass das Gemisch magerer wird.
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KURZE BSCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
vollständiger
verstanden und erkannt, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen
vorgenommen wird, in welchen:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines Stapels mit zwei Zellen von
Festoxid-Brennstoffzellen ist;
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2 ein
schematisches Diagramm einer mechanischen Ausführung eines SOFC-Systems gemäß der Erfindung
ist;
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3 eine
isometrische Draufsicht einer Brennstoffzellenanordnung mit zwei
Stapeln ist, die zwischen zwei Stromkollektoren elektrisch in Reihe verbunden
dargestellt ist;
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4 eine
isometrische wie die in 3 gezeigte ist, wobei eine Abdeckung
die Stapel umschließt;
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5 eine
Aufrissansicht im Querschnitt ist, gelegt entlang einer Linie 5-5
in 4;
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6 eine
Aufrissansicht im Querschnitt ist, gelegt entlang einer Linie 6-6
in 4;
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7 eine Äquatorschnittansicht
ist, gelegt entlang einer Linie 7-7 in 4;
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8 eine
isometrische Draufsicht ist, die eine Brennstoffzellenanordnung
mit der Vorrichtung von 4 zeigt, die an einem Verteiler
gemäß der Erfindung
montiert ist, zusammen mit einer reformierenden, verbrennenden und
wärmetauschenden
Vorrichtung, um die Brennstoffzellenstapel zu versorgen;
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9 eine
isometrische Draufsicht ist, die die Brennstoffzellenanordnung von 8 im
unteren Element eines thermischen Gehäuses angebracht darstellt;
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10 eine
isometrische Draufsicht eines integrierten Luftversorgungssystems
ist, um Luft steuerbar an die in 8 und 9 gezeigte
Brennstoffzellenanordnung zu liefern;
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11 eine
auseinander gezogene isometrische Ansicht eines Brennstoffzellensystems
gemäß der Erfindung
ist, die das Luftversorgungssystem von 10 in
einen strukturellen Gehäuse
angeordnet und die Brennstoffzellenanordnung von 9 durch sowohl
obere als auch untere Elemente eines thermischen Gehäuses vollständig umschlossen
zeigt;
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12 eine
isometrische Draufsicht eines vollständig zusammengebauten Brennstoffzellensystems
gemäß der Erfindung
ist;
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13 eine
auseinander gezogene isometrische Vorderansicht ist, die einen Basisverteiler
mit mehreren Elementen gemäß der Erfindung
zeigt, um Luft und Reformat-Brennstoff und Abgasprodukte durch und
um die Brennstoffzellenstapel zu verteilen, wie sie in 8 dargestellt
sind;
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14 eine
isometrische Rückansicht
ist, die den Verteiler von 13 teilweise
zusammengebaut zeigt;
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15 eine
isometrische Rückansicht
ist, die den Verteiler von 13 weiter
zusammengebaut zeigt;
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16 eine
Draufsicht der unteren Ebene von Kammern ist, die durch die in 13 gezeigten beiden
unteren Elemente gebildet werden;
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17 eine
Draufsicht der unteren Ebene von Kammern ist, die durch die in 13 gezeigten dritten
und vierten Elemente gebildet werden;
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18 eine
Draufsicht des in 13 dargestellten obersten Elements
ist, die die Montagefläche für die in 8 gezeigte
Vorrichtung darstellt;
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19 eine
isometrische Draufsicht eines Brennstoffreformer- und Restenergierückgewinnungs-Systems
(reforWER) gemäß der Erfindung
ist;
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20 eine
isometrische Draufsicht eines Aufriss-Längsschnitts des in 19 gezeigten
reforWER-Sytems ist;
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21 eine
Draufsicht eines ersten horizontalen Schnitts des in 19 gezeigten
reforWER-Systems ist, die in den Pfad der Brennstoffreformierung
durch das System zeigt;
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22 eine
Draufsicht eines zweiten horizontalen Schnitts des in 19 gezeigten
reforWER-Systems ist, die den Pfad des Brennerabgases und Wärmeaustausch
durch das System zeigt;
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23 eine
detaillierte isometrische Draufsicht einer in 10 dargestellten
Verteileranordnung zur Luftverteilung ist; und
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24 eine
horizontale Quersichtansicht durch den in 23 gezeigten
Verteiler ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nach 1 enthält ein Brennstoffzellenstapel 10 Elemente,
die in der Technik der Festoxidbrennstoffzellenstapel mit mehr als
einer Brennstoffzelle bekannt sind. Das gezeigte Beispiel umfasst zwei
identische Brenn stoffzellen 11, die in Reihe geschaltet
sind, und ist von einer Klasse derartiger Brennstoffzellen, die
man insofern als "auf
der Anode abgestützt" bezeichnet, als
die Anode ein Bauelement ist, auf dem der Elektrolyt und die Kathode
angeordnet sind. Die Elementdicken sind nicht maßstabgerecht dargestellt.
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Jede
Brennstoffzelle 11 umfasst ein Elektrolytelement 14,
das ein Anodenelement 16 und ein Kathodenelement 18 trennt.
Jede Anode und Kathode steht in direktem chemischem Kontakt mit
ihrer jeweiligen Oberfläche
des Elektrolyt, und jede Anode und Kathode hat eine jeweilige freie
Oberfläche 20, 22, die
eine Wand eines jeweiligen Durchgangs 34, 26 für eine Gasströmung über die
Oberfläche
bildet. Die Anode 16 einer Brennstoffzelle 11 ist
einem Interkonnektor 28 zugewandt und mit ihm durch Filamente 30 verbunden,
die sich über
den Durchgang 24 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Entsprechend ist die Kathode 18 der Brennstoffzelle 11 dem
Interkonnektor 28 zugewandt und mit ihm durch Filamente 30 elektrisch
verbunden, die sich über
den Durchgang 26 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Die Kathode 18 einer zweiten Brennstoffzelle 11 ist ähnlich einem
Kathodenstromkollektor 32 zugewandt und durch Filamente 30 mit
ihm elektrisch verbunden, die sich über den Durchgang 26 erstrecken,
diesen aber nicht blockieren, und die Anode 16 der Brennstoffzelle 11 ist
einem Anodenstromkollektor 34 zugewandt und mit ihm durch
Filamente 30 elektrisch verbunden, die sich über den
Durchgang 24 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Die Stromkollektoren 32, 34 können über eine Last 35 verbunden
werden, damit der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische
Arbeit leistet. Die Durchgänge 24 werden
von Anodenabstandhaltern 36 zwischen dem Umfang der Anode 16 und
entweder einem Interkonnektor 28 oder einem Anodenstromkollektor 34 gebildet.
Die Durchgänge 26 werden
durch Kathodenabstandhalter 38 zwischen dem Umfang des
Elektrolyt 14 und entweder einem Inter konnektor 28 oder
einem Kathodenstromkollektor 32 gebildet. Der Anodenabstandhalter 36 und
Kathodenabstandhalter 38 sind auf solch eine Weise aus
Blech geschaffen, dass die gewünschte Höhe der Anodendurchgänge 24 und
Kathodendurchgänge 26 erreicht
wird.
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Der
Interkonnektor und die Stromkollektoren sind vorzugsweise aus einer
Legierung, typischerweise einer "Superlegierung" hergestellt, welche chemisch
stabil und bei den erhöhten
Temperaturen maßhaltig
bzw. abmessungstreu ist, die für
einen Brennstoffzellenbetrieb notwendig sind, im allgemeinen über 750 °C oder höher, z.B.
Hastelloy, Haynes 230, oder rostfreier Stahl. Der Elektrolyt
besteht aus einem Keramikoxid und enthält vorzugsweise Zirkoniumoxid,
das mit Yttriumoxid (Yttria) stabilisiert ist, welches in der Technik
als YSZ bekannt ist. Die Kathode besteht z.B. aus porösem Lanthanstrontiummanganat
oder Lanthanstrontiumeisen, und die Anode besteht beispielsweise
aus einer Mischung von Nickel und YSZ.
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Im
Betrieb (1) wird Reformatgas 21 an die
Durchgänge 24 an
einem ersten Rand 25 der freien Oberfläche 22 der Anode geliefert,
strömt
parallel zur Oberfläche
der Anode über
die Anode in einer ersten Richtung und wird an einem zweiten und
gegenüberliegenden
Rand 129 der Anodenoberfläche 20 entfernt. Wasserstoff
und CO diffundieren in die Anode zur Grenzfläche mit dem Elektrolyt. Sauerstoff 31,
typischerweise in Luft, wird an einem ersten Rand 39 der
freien Oberfläche 22 der
Kathode an die Durchgänge 26 geliefert,
strömt
parallel zur Oberfläche
der Kathode in einer zweiten Richtung, welche zu der ersten Richtung
des Reformats orthogonal sein kann (die dargestellte zweite Richtung
ist aus Gründen
der Klarheit als die gleiche Richtung wie die erste in 1 dargestellt)
und wird an einem zweiten und gegenüberliegenden Rand 43 der
Kathodenoberfläche 22 entfernt.
Molekulares Sauerstoffgas (O2) diffundiert
in die Kathode und wird katalytisch zu zwei O-2-Anionen
reduziert, indem vier Elektronen von der Kathode und dem Kathodenstromkollektor 32 oder dem
Interkonnektor 28 über
die Filamente 30 aufgenommen werden. Der Elektrolyt leitet
oder transportiert ionisch O-2-Anionen zur
Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche, wo
sie mit vier Wasserstoffatomen kombinieren, um zwei Wassermoleküle zu bilden, wobei
sie vier Elektronen an die Anode und den Anodenstromkollektor 34 oder
den Interkonnektor 28 über
die Filamente 30 abgeben. Folglich sind die Zellen 11 zwischen
den beiden Stromkollektoren elektrisch in Reihe geschaltet, und
die gesamte Spannung und Wattleistung zwischen den Stromkollektoren
ist die Summe der Spannung und Wattleistung der einzelnen Zellen
in einem Brennstoffzellenstapel.
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Bezug
nehmend auf 2 enthält eine schematische Darstellung
einer mechanischen Ausführung
eines Festoxidbrennstoffzellensystems 12 gemäß der Erfindung
zusätzliche
Einrichtungen und Steuerungen.
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Eine
herkömmliche
Einlassluftpumpe 48 mit hoher Drehzahl saugt Einlassluft 50 durch
einen Luftfilter 52, an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei, durch
einen Schalldämpfer 56 und
durch einen die Pumpe 48 umgebenden Kühlmantel 58. In der
Einlassluftzuleitung als bevorzugter Ort für ein elektronisches Steuerungssystem 200 ist
vorzugsweise auch eine die Elektronik-Kühlleitung 51 (10)
vorgesehen.
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Eine
Luftabgabe 60 von der Pumpe 48 bei einem durch
einen Drucksensor 61 abgefühlten Druck wird zunächst in
verzweigte Leitungen zwischen einer Zuleitung 62 und einer
Zuleitung 72 geteilt. Die Zuleitung 62 geht als
Brennerkühlluft 64 zu
einem Nachbrenner 66 für
Restgas mit einem Zünder 67 über einen
zweiten MAF-Sensor 68 und ein Steuerventil 70 für Brennerkühlluft.
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Die
Zuleitung 72 wird weiter in verzweigte Leitungen zwischen
einer Anodenluftzuleitung 74 und einer Kathodenluftzuleitung 75 geteilt.
Die Anodenzuleitung 74 geht über einen dritten MAF-Sensor 78 und
ein Steuerventil 80 für
Reformerluft an einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76.
Ein Teil der Anodenluftzuleitung 74 kann durch ein Steuerventil 82 über die
kühle Seite 83 des
Wärmetauschers 84 zur
Reformat-Vorheizung
steuerbar umgeleitet werden, dann mit dem nicht temperierten Teil rekombiniert
werden, so dass die Zuleitung 74 auf ihrem Weg zum Verdampfer 76 auf
eine gewünschte Temperatur
temperiert wird. Stromabwärts
des Verdampfers 76 befindet sich ein Anlaufbrenner 77 mit einem
Zünder 79.
Während
des Anlaufs wird, wenn der Reformer kalt ist oder deutlich unterhalb
der Betriebstemperatur liegt, verdampfter Brennstoff im Brenner 77 gezündet, und
das verbrannte Gas wird direkt durch den Reformer geführt, um
die Platten darin schneller zu erwärmen. Offensichtlich ist während eines
Normalbetriebs des Systems der Anlaufbrenner deaktiviert.
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Die
Kathodenluftzuleitung 75 wird durch ein Steuerventil 86 für Kathodenluft
gesteuert und kann durch ein Umgehungsventil 88 für die Kathodenluft-Vorheizung
durch die kühle
Seite 90 des Wärmetauschers 92 zur
Kathodenluft-Vorheizung auf seinem Weg zu den Stapeln 44, 46 steuerbar
geleitet werden. Nach Durchgang durch die Kathodenseiten der Zellen
in den Stapeln 44, 46 wird teilweise verbrauchte
erhitzte Luft 93 dem Brenner 66 zugeleitet.
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Eine
Pumpe 94 für
die Zuleitung von Kohlenwasserstoffbrennstoff saugt Brennstoff aus
einem Speichertank 96 und liefert den Brennstoff über einen Druckregler 98 und
Filter 100 an einen Brennstoffeinspritzer 102,
der den Brennstoff in den Verdampfer 76 einspritzt. Der
eingespritzte Brenn stoff wird mit der Luftzuleitung 74 kombiniert,
verdampft und einem Reformer-Katalysator 104 im Haupt-Brennstoffreformer 106 zugeleitet,
der den Brennstoff in hauptsächlich
Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Das Reformat 108 vom
Katalysator 104 wird den Anoden in den Stapeln 44, 46 zugeleitet.
Nicht verbrauchter Brennstoff 110 von den Anoden wird dem
Nachbrenner 66 zugeleitet, wo er mit Luftzuleitungen 64 und 93 kombiniert
und verbrannt wird. Wenn Gase unterhalb der Selbstzündungstemperatur
liegen, werden sie durch einen Zünder 67 gezündet. Die
heißen
Brennergase 112 werden durch einen Reinigungskatalysator 114 im
Hauptreformer 106 geleitet bzw. geführt. Das Abgas 115 vom
Katalysator 114 wird über
die heißen
Seiten 116, 118 der Wärmetauscher 84 bzw. 92 geleitet,
um die ankommende Kathoden- und Anodenluft zu erhitzen. Das teilweise
gekühlte
Abgas 115 wird einem Verteiler 110 zugeleitet,
der die Stapel 44, 46 umgibt, von wo es letztendlich
ausgestoßen
wird 122.
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Noch
auf 2 verweisend sind in der Reformat an die (nicht
sichtbaren) Anoden in den Stapeln 44, 46 leitenden
Leitung 108 ein erstes Rückschlagventil 150 und
eine erste Sauerstoffauffangeinrichtung 124 vorgesehen.
Ein zweites Rückschlagventil 152 und
eine zweite Sauerstoffauffangeinrichtung 126 sind ähnlich in
der Leitung 110 vorgesehen, die verbrauchtes Reformat von
den Anoden dem Nachbrenner 66 zuleitet. Wie oben beschrieben
wurde, ist es während
einer Abkühlung
der Brennstoffzellenstapel nach einem Abschalten der Anordnung wichtig,
eine Migration von Sauerstoff in die Anodendurchgänge 24 zu
verhindern, worin die Anodenoberfläche 20 mit metallischem
Nickel einer schädlichen Oxidation
ausgesetzt wäre.
Jedes Rückschlagventil weist
einen typischen kegelstumpfförmigen
Ventilsitz 154 auf, der eine Ventilkugel 156 aufnehmen
kann. Jedes Ventil 150, 152 ist innerhalb der
Anordnung 12 vorzugsweise so orientiert, dass die Kugel
durch das eigene Gewicht im Sitz gehalten wird, wenn man das Reformat
durch das System in der Vorwärtsrichtung strömen läßt. Folglich öffnet eine
Brennstoffströmung das
Ventil ausreichend, damit Brennstoff in der Vorwärtsrichtung durchgeht. Wenn
die Anordnung 12 abgeschaltet wird, wird jedes Ventil durch
das eigene Gewicht geschlossen. Die Ventile mögen nicht identisch sein, da
Sauerstoff entgegengesetzt zum Reformat im Ventil 152 strömt, aber
in der gleichen Richtung wie das Reformat im Ventil 150;
daher können die
Kugeln und Sitze verschiedene Gewichte und/oder Größen erfordern,
um wie beabsichtigt zu funktionieren. Jede Auffangeinrichtung 124, 126 enthält einen
Durchgang 128 mit einem Einlass 130 und einem
Auslass 132, durch die das Reformat während eines Betriebs der Brennstoffzellenanordnung
geführt
wird. Innerhalb des Durchgangs gibt es ein leicht oxidiertes Material 134 (sauerstoffreduzierendes
Mittel), z.B. einen Nickelmetallschaum, einen Nickeldraht oder ein
Nickelnetz, das Sauerstoff durch eine Reaktion damit aufsammeln
kann, welches aber die Strömung
des Reformats durch den Durchgang kaum behindert. Nickel in den
Auffangeinrichtungen reagiert mit Sauerstoff, so dass Nickeloxid
NiO erzeugt wird, wenn die Anordnung abgeschaltet wird, was folglich
die nickelhaltigen Anoden vor Oxidation schützt. Wenn die Anordnung wieder
eingeschaltet wird, wird das Reformat wieder erzeugt, welches beim
Durchgang durch die Auffangeinrichtungen das NiO zurück in metallisches
Nickel reduziert, was ermöglicht,
dass die Auffangeinrichtungen wiederholt genutzt werden.
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Noch
auf 2 verweisend kann, falls das Brennstoff/Luft-Gemisch
in Restgasbrenner 1102 verhältnismäßig mager bzw. brennstoffarm
ist, die resultierende Brenntemperatur zum Unterstützen einer endothermen
reformierenden Reaktion zu niedrig sein oder kann einen reduzierten
Wirkungsgrad im Wärmetauscher 92 zur
Kathodenvorheizung bewirken.
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Um
die Brenntemperatur im Brenner 66 durch Steuern der dorthin
geschickten Luftmenge zu steuern, kann ein Teil der verbrauchten
Kathodenluft über
ein Dreiwege-Ventil 160 (2) um den
Brenner herum geleitet und in den Abgasstrom des Brenners stromabwärts des
Wärmetauschers 84 geleitet bzw.
geführt
werden. Falls die Mischung im Brenner verhältnismäßig brennstoffreich ist, wie
es während eines
Anlaufens der Fall sein kann, kann die Brenntemperatur hoch genug
sein, um unerwünschte Stickoxide
zu erzeugen und/oder die Brennerkomponenten zu schädigen, worin
ein Steuerventil 70 eingestellt werden kann, um zusätzliche
Luft 64 zum Brenner zu liefern.
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Der
klaren Präsentation
halber, und um das Verständnis
des Lesers zu verbessern, sind die Zahlen von Elementen der Erfindung,
wie sie weiter im folgenden präsentiert
wird, je nach der funktionalen Anordnung, in der die Elemente auftreten,
in Hunderterschritten gruppiert; daher können Elemente, die oben zitiert
und in 1 und 2 dargestellt wurden, verschiedene
numerische Bezeichnungen aufweisen, wenn sie im folgenden dargestellt
und diskutiert werden, beispielsweise werden die Stapel 44, 46 Stapel 344, 346.
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Bezug
nehmend auf 3 bis 7 sind in einer
Anordnung 300 von Brennstoffzellenstapeln gemäß der Erfindung
die Zellen 311 nebeneinander angeordnet und können jeweils
mehrere Zellen 311 aufweisen, so dass sowohl der erste
Stapel 344 als auch der zweite Stapel 346 ein
Stapel aus identischen Brennstoffzellen 311 ist. Die Vielzahl
von Zellen umfasst in jedem der beiden Stapel vorzugsweise etwa 30.
Die Zellen 311 im Stapel 344 und Stapel 346 sind
durch einen Interkonnektor 348 elektrisch in Reihe geschaltet,
und die Stapel sind mit einem Kathodenstromkollektor 332 und
Anodenstromkollektor 334 auf dem Boden der Stapel in Reihe
geschaltet. Die Stromkollektoren sind so bemessen, dass sie eine "Auf standsfläche" haben, die der gleichen
Abmessung wie ein die Abdeckung abdichtender Flansch 340 sehr
nahe kommt. Die Stromkollektoren sind vorzugsweise mittels Klebung
an einer Stapelmontageplatte 338 abgedichtet, und die Stapel
sind vorzugsweise wiederum an den Stromkollektoren klebend abgedichtet.
Der Dichtungsflansch 340 für die Abdeckung 342 und
den Deckel 343 wird dann an die Stromkollektorplatten montiert
und mit diesen abgedichtet. Ein Dichtring 341 zwischen
dem Flansch 340 und den Stromkollektoren ist ein Dielektrikum,
so dass der Flansch 340 keinen Kurzschluss zwischen den
Stromkollektoren hervorruft. Stromleitungen 350, 352 sind
an die Stromkollektoren 332 bzw. 334 durch starke,
zuverlässige
und hochleitende metallurgische Verbindungen wie z.B. Löten angebracht.
Auf diese Weise können
die Stromkollektoren unter dem Flansch 340 zur Montage
einer Abdeckung durchgehen, ohne dass eine zusätzliche Abdichtung oder Befestigung
einer Stromleitung erforderlich ist, und müssen nicht in unerwünschter
Weise wie in einigen Stapelanordnungen nach dem Stand der Technik durch
die Abdeckung selbst verlaufen. Das Durchführen von Leitungen durch die
Abdeckung macht die Anordnung komplexer und weniger zuverlässig.
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Bezug
nehmend auf 8 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 400 gemäß der Erfindung
eine Stapelanordnung 300, die betriebsfähig auf eine integrierte Brennstoff/Luftverteileranordnung 500 montiert
ist, welche ebenfalls einen ersten und zweiten Kathodenluft-Wärmetauscher 600 und
eine integrierte Brennstoffreformer- und Restenergierückgewinnungseinheit
("reforWER") 1100 trägt. Die
Anordnung 400 empfängt
Luft von einem Luftversorgungssystem 900 (10-12),
wie im folgenden beschrieben wird, und heizt selektiv zum Reformer gelangende
Luft vor. Der reforWER 1100 reformiert Brennstoff aus Kohlenwasserstoffen
wie z.B. Benzin in Reformat-Brennstoffgas mit hauptsächlich Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen mit niedrigerem Molekulargewicht,
temperiert die Luft und das Reformat, die in die Stapel eintreten,
verbrennt selektiv in den Stapeln nicht verbrauchten Brennstoff,
gewinnt in verschiedenen internen Prozessen erzeugte Wärmeenergie
zurück,
die ansonsten ungenutzt bliebe, und stößt verbrauchte Luft und Wasser
aus; dies alles, um ein elektrisches Gleichstrompotential über die
(in 8 nicht sichtbaren) Stromleitungen 350, 352 effizient
zu erzeugen. Die Struktur und die interne Funktionsweise des reforWER 1100 werden
im folgenden in Detail diskutiert.
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Bezug
nehmend auf 9 bis 11 gibt
es zwei Basisfunktionen für
das Gehäuse
eines Brennstoffzellensystems. Die erste ist, eine thermische Isolierung
für die
Komponenten zu schaffen, die bei einer erhöhten Temperatur (700-900 °C) arbeiten,
um sie für
einen effizienten Betrieb bei dieser Temperatur zu halten, Komponenten
mit niedrigerer Temperatur zu schützen und die Außentemperatur über die
gesamte Einheit auf ein für
den Menschen sicheres Niveau zu reduzieren. Die zweite besteht darin,
eine strukturelle bzw. bauliche Abstützung für eine Montage einzelner Komponenten,
eine Montage des Systems an eine andere Struktur wie z.B. ein Fahrzeug, einen
Schutz der internen Komponenten vor der äußeren Umgebung und einen Schutz
der Umgebung vor den hohen Temperaturen der Brennstoffzellenanordnung
zu schaffen. Systeme nach dem Stand der Technik nutzen ein einziges
Gehäuse,
um alle Funktionen zu erfüllen,
welches komplex und teuer zu fertigen und zusammenzubauen sowie
platzraubend sein kann.
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Noch
auf 9 bis 11 verweisend umfasst in der
vorliegenden Erfindung ein Gehäuse
für die
Brennstoffzellenanordnung zwei ineinander geschachtelte Gehäuse: ein
thermisches Gehäuse 700 und
ein strukturelles Gehäuse 800.
Die Brennstoffzellenanordnung 400 wird zuerst in einen "venusmuschelartigen" thermischen Gehäuse 700 mit
einem unteren Teil 702 und einem oberen Teil 704 angeordnet,
die wiederum in einem strukturellen Gehäuse 800 angeordnet
wird. Die Trennlinie 706 zwischen dem unteren Teil 702 und
dem oberen Teil 704 wird einfach so angeordnet, dass alle
Rohre, Verteiler, Wellen, Stromleitungen etc., welche zwischen der "heißen Zone" 716 innerhalb
des thermischen Gehäuses
und der "kühlen Zone" 816 innerhalb
des strukturellen Gehäuses
durchgehen müssen,
dies in der Mitte der Trennlinie 706 tun. Dies sorgt für eine einfache
Montage der heißen
Komponenten in dem thermischen Gehäuse. Biegsame Balgisolatoren 902-1, 902-2, 904-1, 904-2, 912 in
Luftröhren
verbinden das Luftversorgungssystem mit dem Verteilersystem und
sind konkret innerhalb der Wand des thermischen Gehäuses wie
in 10 gezeigt angeordnet, um die Wärmeübertragung
aus der heißen Zone
weiter zu minimieren.
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Zunächst werden
alle Komponenten der heißen
Zone, die in der Anordnung 400 enthalten sind, in den unteren
Teil 702 eingesetzt, der mit einem entsprechenden Schacht 708 zum
sicheren Halten und Abfedern der Anordnung 400 versehen
sein kann, wie in 9 gezeigt ist. Die zugehörige Oberfläche 710 des
unteren Teils 702 entlang der Trennlinie 706 ist
nach Bedarf dafür
eingerichtet, die unteren Hälften der
sich durch das Gehäuse 700 erstreckenden
Komponenten aufzunehmen. Der obere Teil 704 ist so eingerichtet,
dass er passend am unteren Teil 702 anliegt. Der obere
Teil 704 wird auf den unteren Teil 702 platziert
und kann nach Wunsch daran entlang der Linie 706 abgedichtet
werden. Das thermische Gehäuse 700 kann
aus einem beliebigen geeigneten hocheffizienten Hochtemperatur-Isoliermaterial,
wie es in der Isoliertechnik bekannt ist, bestehen und kann ein Verbund
sein, der ein Metallgehäuse
mit geringem Gewicht enthält.
Der Bereich geeigneter Isoliermateralien wird erweitert, indem man
die Beschränkung einer
allgemeinen strukturellen Integrität aufgibt, die durch Vorsehen
eines separaten strukturellen Gehäuses 800 ermöglicht wird.
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Das
strukturelle Gehäuse 800 wird
vorzugsweise z.B. aus einem dickeren Metall gefertigt, um eine strukturelle
Festigkeit und eine einfache Form wie z.B. einen Kasten mit einer
abnehmbaren Klappe für
eine einfache Fertigung zu schaffen. Merkmale wie Klammern, Bolzen,
elektrische Verbinder, Stutzen, Schweißmuttern, Lufteinlaßleitungen
und Auslassleitungen beispielsweise können Teil des strukturellen
Gehäuses
sein, um interne Komponenten daran zu montieren und das System mit
externen Strukturen zu verbinden. Merkmale zur Vibrations- und Stoßisolierung
(nicht dargestellt) können
ebenfalls mit dem Gehäuse
vorgesehen werden.
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Die
Luftsteuerungsanordnung 900 ist mit Elementen der Brennstoffzellenanordnung 400 verbunden,
die sich durch die Trennlinie 706 erstrecken; und die Anordnungen 700, 900 werden
dann mit dem strukturellen Gehäuse 800 wie
in 12 gezeigt installiert, um ein Brennstoffzellensystem 1000 gemäß der Erfindung
zu bilden. Das Steuerungssystem 200 (in 2 schematisch
als Leistungsformer 202, Schaltungsschutz-I/O 204,
Treiber 206 und elektronische Steuereinheit 208 dargestellt,
die aber in 12 nicht sichtbar sind) ist
ebenfalls an Bord des Systems innerhalb der kühlen Zone 816 installiert, um
die Anzahl der diskreten Signale 210 zu minimieren, die über einen
Verbinder 220 durch das Gehäuse 800 geleitet werden
müssen.
Man beachte auch, dass Stromleitungen mit hoher Stromkapazität auch durch
das Gehäuse 800 über Dualverbinder 821 verlaufen.
Das Steuerungssystem 200 ist vorzugsweise in entweder einer
Lufteinlaßleitung 150,
die die Luftpumpe 48 versorgt, oder in einem (nicht dargestellten)
aktiven Luftströmungsraum
in einem Verteiler 908 zur Verteilung von Luft (23-24)
für maximale
Kühlung
elektronischer Kom ponenten sowie eine vorteilhafte Vorheizung der
ankommenden Luft montiert.
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Bezug
nehmend auf 13 bis 18 empfängt eine
integrierte Brennstoff/Luftverteileranordnung 500 Luft über biegsame
Balgelemente von einer Luftversorgungsanordnung 900 und
reformierten Brennstoff von der reforWER-Anordnung 1100 und befördert Luft
mit hoher Temperatur, Abgas und wasserstoffreichen Reformat-Brennstoff
zu und von den Kernkomponenten des Systems. Eine grundlegende Verteileranordnung 500 umfasst,
wie in 13 gezeigt ist, eine dreidimensionale
Anordnung von drei perforierten Platten und zwei partitionierten
Elementen, welche einfach und günstig
hergestellt werden und ein Netz mit zwei Ebenen von Durchgängen aufweisen,
die eine Montage, feste bzw. dichte Kopplung und Integration kritischer
Komponenten des Brennstoffzellensystems ermöglichen, die Wärmetauscher,
Brenner, Brennstoffreformer, Festoxidbrennstoffzellenstapel, Rückschlagventile,
Gewindeeinsätze
und katalysierte und nicht katalysierte Filter einschließen. Obgleich
der Einfachheit halber ein Verteiler mit fünf Komponenten dargestellt
ist, können
natürlich
innerhalb des Umfangs der Erfindung beliebige zwei der perforierten
Platten durch entsprechende und offensichtliche Gieß- oder
Formprozesse offenkundig in die partitionierten Elemente eingefügt werden,
so dass der Verteiler nur drei Elemente umfasst.
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Es
sollte besonders erwähnt
werden, dass der Verteiler 500 tatsächlich zwei spiegelbildliche Verteiler 500-1, 500-2 umfasst,
die sich einige gemeinsame Merkmale, z.B. eine Kathodenluftrückleitung
von den Stapeln, teilen. Folglich strömt Reformat-Brennstoff von
der reforWER-Einheit 1100 in zwei parallelen Strömen zu den Stapeln 344 und 346 und
wird in zwei parallelen Strömen
zum reforWER 1100 zurückgeführt. Desgleichen
wird eine Kathodenluftströmung
von der Luftversorgungsanordnung 900 in zwei parallele
Ströme
geteilt und tritt in jeden Verteiler 500-1, 500-2 über Spiegelbildkopplungen 902-1 und 902-2 (8-10 und 13)
ein. Wie man erkennt, sind folglich die Brennstoffzellenstapel 344, 346 der
Brennstoffzellenanordnung 400 elektrisch in Reihe geschaltet,
werden aber von Gasströmungen
parallel versorgt.
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Zur
einfachen Präsentation
und Diskussion, mit Ausnahme von eindeutigen Funktionen, ist die folgende
Konstruktion und Funktion auf den Verteiler 500-1 gerichtet;
und es sollte sich aber verstehen, dass sie gleichermaßen auf
den spiegelbildlichen Verteiler 500-2 anwendbar sind.
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Die
untere Platte 502 ist die Grundplatte für den Verteiler und bildet
den Boden für
verschiedene Kammern, die durch Kombination der Platte 502 mit dem
unteren partitionierten Element 504 gebildet werden, was
ein unteres Verteilungselement 505 definiert, wie in 16 gezeigt
ist. Eine Zwischenplatte 506 vervollständigt die Kammern im Element 504 und bildet
die Bodenplatte für
ein oberes partitioniertes Element 508, das ein oberes
Verteilungselement 509 definiert. Die oberste Platte 510 vervollständigt die Kammern
im Element 508 und bildet die Montagebasis für die Brennstoffzellenanordnung 300,
Wärmetauscher 600 und
die reforWER-Einheit 1100, wie oben beschrieben wurde.
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Im
Betrieb tritt Luft über
eine Kopplung 902-1 in eine erste untere Kammer 512 ein,
strömt
durch Schlitze 514-1, 514-2, 514-3 in
einen Wärmetauscher 600-1 nach
oben, in herkömmlicher
Weise durch den Wärmetauscher,
wo die Luft wie unten beschrieben erhitzt wird, nach unten durch
einen Schlitz 516-3 in eine erste obere Kammer 518,
danach durch eine Öffnung 520 in
der Platte 506 in eine zweite untere Kammer 522.
In der Kammer 518 wird die erhitzte Luft steuerbar mit
kühler
Luft gemischt, die über eine
Umgehungsverbindung 904-1 von der Luftversorgungsan ordnung 900 in
die Kammer eintritt. Die temperierte Luft strömt nach oben von der Kammer 522 durch
eine Öffnung 524 in
der Platte 506 in eine Kammer 526, die einen Kathodenversorgungssammelraum
definiert, um Reaktions- und Kühlluft
nach oben durch geschlitzte Öffnungen 528 zu
den Durchgängen
für die
Kathodenluftströmung
im Stapel 344 zuzuführen.
Verbrauchte Luft wird von den Kathoden über geschlitzte Öffnungen 530 in
einen Sammelraum 532 für
die Kathodenrückleitung
zurückgeführt und
strömt
durch eine Öffnung 534 in
der Platte 506 nach unten in einen gemeinsamen Rückleitungskanal 536 für Kathodenluft,
der zu einem Restgasbrenner 1102 innerhalb des reforWER 1100 führt.
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Heißes Reformat
vom reforWER 1100 tritt über eine Öffnung 538 in der
obersten Platte 510 in den Verteiler 500-1 ein
und strömt
in eine Kammer 540, danach nach unten durch eine Öffnung 542 in einen
Zuleitungskanal 544 und durch eine Öffnung 546 in eine
Kammer 548 nach oben, die einen Sammelraum für die Anodenversorgung
für den
Stapel 344 definiert.
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Die Öffnung 546 definiert
vorzugsweise einen Sitz für
ein Ventil mit einer Kugel 550 (14), die
vorzugsweise durch das eigene Gewicht an Ort und Stelle gehalten
wird, um eine Reformatströmung während eines
Betriebs zu ermöglichen,
aber eine Sauerstoffströmung
in die Anoden zu verhindern, wenn das System abgeschaltet wird.
Ferner enthält die
Kammer 544 und/oder 548 vorzugsweise ein sauerstoffreaktives
Material (das nicht dargestellt, hier aber als 134 in 2 angegeben
ist) wie z.B. Nickelwolle, durch das Reformat leicht gelangen kann,
welches aber etwaigen die Kugel 550 passierenden Sauerstoff
auf seinem Weg zu den Anoden reinigen kann.
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Die
Kathodenversorgungskammer 522 und Anodenversorgungskammer 544 sind
vorzugsweise so ausgebildet, dass die Fläche der gemeinsamen Wand zwischen
ihnen maximiert ist, so dass die Kammern 522, 544 einen
Co-flow-Wärmetauscher definieren,
der dazu neigt, die Temperaturdifferenz zwischen der Luft der Kathodenversorgung
und dem Reformat der Anodenversorgung zu verringern.
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Aus
der Kammer 548 strömt
das Reformat nach oben durch Schlitze 552 in die Anodenströmungsdurchgänge im Stapel 344.
Verbrauchtes Reformat ("Restgas") strömt nach
unten durch Schlitze 554 in einen Sammelraum 556 für die Anodenrückleitung
und danach nach unten durch eine Öffnung 558 in einen
Reformat-Rückleitungskanal 560.
Vom Kanal 560 strömt
verbrauchtes Reformat nach oben durch eine Öffnung 562 in eine
mit dem Verteiler 500-2 gemeinsame längliche Kammer 564 und
danach durch Öffnungen 556 in
den Restgasbrenner 1102 im reforWER 1100. Die Öffnung 562 ist
vorzugsweise auch als Rückschlagventilsitz
wie die Öffnung 546 ausgebildet,
um eine Rückschlagkugel 563 aufzunehmen,
die vorzugsweise durch das eigene Gewicht an Ort und Stelle gehalten
wird, um eine umgekehrte Strömung
von Sauerstoff in die Anoden zu verhindern, wenn das System abgeschaltet
wird. Ferner enthalten/enthält
die Kammer 556 und/oder 560 wie die Kammer 548 vorzugsweise
ein sauerstoffreaktives Material (das hier nicht dargestellt, aber
in 2 als 134 angegeben ist) wie z.B. Nickelwolle, durch
die das Restgas leicht gelangen kann, das aber etwaigen, die Kugel 563 passierenden
Sauerstoff auf dessen Weg zu den Anoden reinigen kann.
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Verbranntes
Restgas vom Brenner gelangt über
einen Schlitz 568-3 in den Verteiler 500-1 und strömt über Schlitze 568-2, 568-1 in
die untere Kammer 570 und danach durch eine Öffnung 572 in
die Kammer 574, die als Versorgungssammelraum für den Kathodenluft-Wärmetauscher 600-1 dient.
Verbranntes Restgas strömt
aus der Kammer 574 durch Öffnungen 576 und durch
den Wärmetauscher 600-1 nach
oben, wobei sie somit ankommende Kathodenluft heizt, durch Öffnungen 578 in
die Kammer 580 zurück
und danach über Öffnungen 582 in
einen temperierenden Mantelraum 354 (7)
zurückkehrt, der
den Stapel 344 zwischen den Brennstoffzellen 311 und
der Abdeckung 342 umgibt. Der Stapel wird somit durch das
Abgas temperiert. Das verbrannte Restgas kehrt vom Mantel 354 über Öffnungen 584 in einen
Abgassammelraum mit Öffnungen 586-3, 586-2, 586-1 zurück, der
durch ein Abgasrohr 588 und einen Rohrflansch 590 in
die Atmosphäre
entlüftet
wird.
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Bezug
nehmend auf 19 bis 22 ist ein
reforWER 1100 gemäß dem System
auf der Oberseite einer Platte 510 (18) über Öffnungen 566 und 568-3 in
Teilen 500-1, 500-2 des Verteilers wie im folgenden
beschrieben montiert. Der reforWER 1100 ist im allgemeinen
mit einem ersten Teil 1104 zum Empfangen, Dosieren und
Mischen von flüssigem
Brennstoff und Luft, zum Verdampfen des Brennstoff/Luft-Gemisches
und zum Durchleiten des verdampften Gemischs in einen zweiten Teil 1106 zum
partiellen katalytischen Oxidieren des Brennstoffes im Gemisch und
Durchleiten des reformierten Brennstoffs in die Verteileranordnung 500 ausgelegt. Die
Teile 1104, 1106 sind vorzugsweise durch Bolzen 1108 verbunden.
Der Teil 1106 beherbergt auch einen Restgasbrenner 1102,
wie im folgenden beschrieben wird.
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Der
Klarheit in der folgenden Beschreibung halber werden die Elementnummern
wie in 2 ursprünglich
dargestellt, wo es zweckmäßig ist,
in 19-22 beim Verweis der in 2 schematisch
dargestellten Strömungspfade
und Steuerungen auf die in 19-22 gezeigte
tatsächliche Vorrichtung
verwendet; ansonsten liegen die Zahlen, die sich auf den reforWER 700 beziehen,
in der 7xx-Folge vor.
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Verweisend
auf den Teil 1104 hat ein Brennstoffeinspritzkopf 1109 eine
axiale Bohrung 1110, um eine Brennstoffeinspritzeranordnung 1112 mit
einem Brennstoffeinspritzer 102 aufzunehmen, der den auf herkömmlichen
Verbrennungsmotoren vorgesehenen Brennstoffeinspritzern ähnlich sein
kann. Die Anordnung 1112 umfasst ferner einen ringförmigen Wärmetauscher 1116.
Der Brennstoff wird über
eine Brennstoffpumpe 94 (2) einem
Eintrittsanschlusstück 1108 zugeführt, das
mit einem Wärmetauscher 1116 in
Verbindung steht, worin der Brennstoff vorgeheizt wird, und wird
dann durch einen Schlauch 1120 dem Einspritzer 102 zugeführt. Das Vorheizen
des Brennstoffs dient auch dazu, den Brennstoffeinspritzer zu kühlen, und
ist ein erstes Merkmal zur Rückgewinnung
von Restenergie gemäß der Erfindung.
Brennstoff wird ansprechend auf das Steuerungssystem periodisch
in eine dem Kopf 1109 benachbarte Mischkammer 1122 eingespritzt.
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Dem
reforWER 1110 wird von einer Luftpumpe 48 über eine
Leitung 74 am MAF 78 vorbei und durch das Steuerventil 80 Luft
zugeführt,
wobei sie über
ein T-Anschlussstück 1124 (in 20 der
Klarheit halber weggelassen, in 19 aber
gezeigt) eintritt, wobei die Luftströmung in zwei Teile geteilt
wird. Eine erste Luftströmung
gelangt durch das Steuerventil 82 und direkt in ein Verteilungskopfstück 1126, das
im Kopf 1108 für
eine Einleitung in die Mischkammer 1122 ausgebildet ist.
Eine zweite Luftströmung gelangt
durch ein Zuleitungsrohr 1128 entlang der Länge des
reforWER 1100, danach durch einen Wärmetauscher 84 zur
Vorheizung, der im dem Brenner 1102 benachbarten Teil 1106 ausgebildet
ist, und kehrt durch ein Rohr 1132 zum Kopfstück 1126 zurück, um in
die Mischkammer 1122 eingeleitet zu werden. Eine Regulierung
des Steuerventils 82 steuert eine Luftströmung durch
den Wärmetauscher 84 und
daher die durchschnittliche Temperatur der Luft, die in die Mischkammer
eintritt.
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Der
Wärmetauscher 84 ist
ein zweites Merkmal zur Rückgewinnung
von Restenergie gemäß der Erfindung.
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In
der Mischkammer 1122 wird der eingespritzte Brennstoff
verdampft und mit beiden Luftteilen turbulent gemischt. Der gemischte
Dampf wird durch einen porösen "Mischschaum" 1134 in
eine Startbrennerkammer 77 geleitet, die mit einem Zündmittel
für den
gemischten Dampf, vorzugsweise einem Zünder 79, versehen
ist. Das Aufwärmen
des Systems 1000 wird verkürzt, indem der gemischte Dampf
ansprechend auf das Steuerungssystem 200 in der Kammer 77 zündet und
die heißen
Verbrennungsprodukte direkt durch die Platten im Reformer 106 und
die Anoden in den Stapeln 44, 46 weitergeleitet
werden. Der Zünder 79 wird
im normalen Betrieb bei erhöhter
Temperatur nicht genutzt, und eine poröse Flammensperre 1136 verhindert
einen Durchschlag vom Reformer 106 in die Kammer 77.
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Der
reforWER-Teil 1106 ist im wesentlichen ein Plattenreformer 106 und
ein Wärmetauscher,
die in einem Metallgehäuse 1107 gehäust sind,
die mit der Wand 1109 der Kammer 77 abdichtbar
zusammenpasst. Der Teil 1106 enthält ferner vorzugsweise eine
kräftige
Bodenplatte 1111 zur Montage an der Platte 510 im
Verteiler 500. Der Teil 1106 weist mehrere, vorzugsweise
identische Reformerplatten 1138 auf, von denen jede auf
einer Seite, hier der Klarheit halber als Seite A (21)
bezeichnet, mit einem Kohlenwasserstoff reformierenden Katalysator
beschichtet ist. Die Platten 1138 sind auf der gegenüberliegenden
Seite B (22) mit einer katalytischen Grundierung
für reduziertes
CO und Kohlenwasserstoffemissionen vom Brenner 1102 beschichtet.
Die Platten sind in abwechselnder Reihenfolge gestapelt, so dass
jede Seite A einer anderen Seite A zugewandet ist und jede Seite
B einer anderen Seite B zugewandt ist.
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Die
Seiten A sind durch abdichtende Reformer-Abstandhalter 1140 (21)
getrennt, so dass ein reformierender Raum zwischen jedem Paar Seiten
A erzeugt wird. Gemischter Dampf strömt über den Katalysator auf den
Seiten A, wird zu Reformat-Brennstoff reformiert und gelangt durch
Reformat-Leitungen 1142, die durch Zusammenwirken der Platten
und Abstandhalter gebildet werden, wobei die Leitungen an einer Öffnung 538 im
Verteiler 500 (13) anliegen,
um das Reformat zu den Brennstoffzellenstapeln wie oben beschrieben
zu befördern.
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Die
Seiten B sind durch abdichtende Brenner-Abstandhalter 1144 (22)
getrennt, so dass ein Raum für
Verbrennungsabgas zwischen jedem Paar Seiten B erzeugt wird. Die
Abstandhalter 1144 verhindern eine Querkontamination von
Reformat mit Abgas. Restgas von den Anoden in den Stapeln wird vom
Verteiler 500 wie oben beschrieben dem Brenner 1102 zugeführt und
durch einen Zünder 1145 periodisch
gezündet,
der im Kopfgehäuse 1147 angeordnet
ist, das ein oberes Ende des Brenners 1102 definiert. Abgas
vom Brenner 1102 strömt über die Seiten
B, wobei die Platten 1138 von der Seite B geheizt und daher
das Brennstoff reformierende Verfahren auf der Seite A gefördert wird,
und gelangt über durch
Zusammenwirken der Platten und Abstandhalter gebildete Abgasleitung 1146,
welche an Öffnungen 568-3 im
Verteiler 500 (13) anliegen,
um Brennerabgas zu den Kathodenluft-Wärmetauschern 600-1, 600-2 wie
oben beschrieben zu befördern.
Der Austausch von Brennerwärme
zwischen den Seiten B und A ist ein drittes Merkmal zur Rückgewinnung von
Restenergie gemäß der Erfindung.
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Der
reforWER 1100 enthält
vorzugsweise einen ersten, in der Kammer 77 angeordneten
Temperatursensor 1148, um die Temperatur des in den Reformer
eintretenden gemischten Dampfs abzufühlen, einen in einer der Abgasleitungen 1146 angeordneten
zweiten Temperatursensor 1150, um die Temperatur des Brennerabgases
nach Wärmeverlust
an den Reformer abzufühlen;
einen im Brenner 1102 angeordneten dritten Temperatursensor 1152,
um die Brenntemperatur abzufühlen;
und einen in einer der Reformat-Leitungen 1142 angeordneten
vierten Temperatursensor 1154, um die Temperatur des die
reformierende Einheit 1100 verlassenden Reformats abzufühlen.
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Folglich
erkennt man, dass der reforWER 1100 eine integrierte reformierenden
Einheit ist mit einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffreformer; einem integralen
Restgas- und Kathodenluftbrenner und Reformer-Wärmetauscher; einem Brennstoff-Vorheizer
und einem Kühler
für den
Brennstoffeinspritzer; einem Brennstoffeinspritzer und Brennstoff/Luftmischer
und Verdampfer; einem Vorheizer für Reformierungsluft; einem
Steuerventil und Mittel für
die Temperatur der Reformierungsluft; und einem Anlaufbrenner des
Vorreformers. Die Integration eines Plattenreformers, eines Restgasbrenners
und eines Wärmetauschers
für Brennergas
ermöglicht
effiziente Betriebsmodi des Reformers. Konkret kann der Reformer
in einem endothermen Modus betrieben werden (Dampfreformierung,
wie sie in der Technik bekannt ist, aber nicht dargestellt ist),
worin der Wärmertauscher
für Brennergas
und der Brenner die Energie für
die Reformierungsfunktion liefern. Im exothermen Reformierungsmodus,
wie er hierin beschrieben wird, hilft der Wärmetauscher für Brennergas
bei der Temperaturregulierung des Reformers und reduziert signifikante
thermische Gradienten in der Einheit.
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Bezug
nehmend auf 2, 10, 23 und 24 ist
ein Luftversorgungssystem 900 für das Brennstoffzellensystem 1000 dargestellt.
Wie in der Beschreibung und in den Figuren oben für den reforWER
werden Zahlen aus 2 verwendet, wo dies zweckmäßig ist;
ansonsten sind Elemente des Systems 900 durch 9xx-Zahlen
bezeichnet.
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Eine
herkömmliche
Hochgeschwindigkeits-Einlassluftpumpe 48 saugt Einlassluft 50 durch einen
Luftfilter 52, an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei,
durch einen Schalldämpfer 56,
der eine Resonanzkammer sein kann, und durch eine kühlende Ummantelung 58,
die die Pumpe 48 umgibt.
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Die
Luftabgabe 60 von der Pumpe 48 wird bei einem
durch einen Drucksensor 61 abgefühlten Druck über einen
Einlass 906 in einen Verteilerblock 908 mit einem
zentralen Sammelraum 910 befördert. Eine erste Zuleitung
von dem Sammelraum 910 wird als den Brenner kühlende Luft 64 über einen
zweiten MAF-Sensor 68 und ein Steuerventil 70 befördert, dass
im Block 908 vorgesehen ist. Die kühlende Luft 64 tritt über einen
biegsamen Verbinder 912 (13) in
den Verteiler 500 ein und wird darin mit verbrauchter Kathodenluft
in der Kathodenluftrückführung 536 (16)
gemischt und wie oben beschrieben zum Brenner 1102 geleitet.
Eine zweite Zuleitung vom Sammelraum 910 wird als Reformer-Luftzuleitung 74 über einen
dritten MAF-Sensor 78 und ein Steuerventil 80 für Reformerluft
zu einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76 befördert.
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Die
Kathodenluftzuleitung 75 vom Sammelraum 910 wird
durch das Steuerventil 86 für Kathodenluft gesteuert, wird
in Strömungen 75-1 und 75-2 geteilt
und als die primären
Kathodenluftströmungen über biegsame
Verbinder 902-1, 902-2 zu Kathodenluft-Wärmetauschern 600-1 bzw. 600-2 wie
oben beschrieben geschickt. Eine Luftzuleitung 87 der Kathodenumgehung
vom Sammelraum 910 wird ebenfalls in zwei Strömungen 87-1, 87-2 geteilt
und über
biegsame Verbinder 904-1, 904-2 als die Umgehungs-Kathodenluftströmungen zur
Kombination im Verteiler 500 mit erhitzten Kathodenluftströmungen von
den Wärmetauschern 600-1, 600-2 wie
oben beschrieben geschickt. Variieren des Volumens der durch das Steuerventil 88 geführten Luft ändert die Temperatur
der an die Stapel geschickten Kathodenluft. Ein in der Luftzuleitung 75 nahe
dem Eingang zu den Stapeln 44, 46 gelegener Temperatursensor
liefert eine Rückkopplung
zu der Steuereinheit, die das Umgehungs-Steuerventil 88 steuert.
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Das
integrierte Luftversorgungssystem 200 liefert folglich
die gesamten, im System 1000 erforderlichen Luftströmungen und
steuert diese.
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Ein
SOFC-System 1000 gemäß der Erfindung
ist besonders nützlich
als Zusatzenergieeinheit (APU) für
Fahrzeuge 136 (12), an
denen die APU montiert werden kann, wie z.B. Personenkraftwagen
und Lastkraftwagen, Schiffe und Boote sowie Flugzeuge, wobei Antriebsenergie
von einem herkömmlichen
Motor geliefert wird und die zusätzlichen Forderungen
nach elektrische Energie durch ein SOFC-System erfüllt werden.
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Eine
SOFC-Anordnung gemäß der Erfindung
ist auch als stationäres
Kraftwerk wie z.B. in einem Haushalt oder zur kommerziellen Nutzung
nützlich.
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Obgleich
die Erfindung durch Verweis auf verschiedene spezifische Ausführungsformen
beschrieben wurde, sollte es sich verstehen, dass zahlreiche Änderungen
innerhalb des Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte
vorgenommen werden können.
Demgemäß soll die
Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein,
sondern den durch die Ausführung bzw.
Sprache der folgenden Ansprüche
definierten Umfang aufweisen.